3土力學(xué)和基礎(chǔ)工程第二章土中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

1、第二章第二章 土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律2.1 2.1 概述概述2.2 2.2 滲透理論滲透理論2.3 2.3 流網(wǎng)及其工程應(yīng)用流網(wǎng)及其工程應(yīng)用2.4 2.4 土中滲流的作用力及滲透變形土中滲流的作用力及滲透變形學(xué)習(xí)目標(biāo)：學(xué)習(xí)目標(biāo)： 掌握土的滲透定律與滲透力計(jì)算方法 具備對(duì)地基滲透變形進(jìn)行正確分析的能力基本要求：基本要求： 1. 掌握土的滲透定律 2. 了解二維滲流及流網(wǎng)繪制 3 . 熟悉土中滲流量計(jì)算 4. 掌握土中水的滲透力與地基滲透變形分析第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 地基土以及某些土工建筑物本身(如土壩)是由顆粒狀或碎塊固體材料組成的多孔隙介質(zhì)多孔隙介質(zhì)，其內(nèi)部包含著許多互相連通的孔隙

2、或裂隙。 存在于地基中的地下水，在一定的壓力差作用下，將透過(guò)土中的這些孔隙發(fā)生流動(dòng)， 這種現(xiàn)象稱(chēng)為滲流或滲透滲流或滲透。 土中的自由水可分為毛細(xì)水毛細(xì)水和重力水重力水。 毛細(xì)水毛細(xì)水位于地下水位以上的土孔隙中，它是由于水-氣界面表面張力的作用，地下水沿著不規(guī)則的孔隙和裂隙上升而形成的。 毛細(xì)水既受重力作用重力作用還受表面張力引起的毛細(xì)力作用毛細(xì)力作用，兩者達(dá)到平衡后在地下水位以上形成穩(wěn)定的毛細(xì)飽水區(qū)，毛細(xì)飽水區(qū)的形成將可能使地基土浸濕或產(chǎn)生凍脹而影響其承載能力和穩(wěn)定性。 重力水重力水位于地下水位以下的土孔隙中，它受重力作用的控制，能對(duì)土體產(chǎn)生浮力，在透水土層中還能在水力梯度作用下發(fā)生流動(dòng)而形成

3、滲流。 本章研究的就是土中重力水重力水的運(yùn)動(dòng)規(guī)津。 不同的土具有不同的透水能力， 主要由土的顆粒組成土的顆粒組成和孔隙比孔隙比等決定。 土的透水性定量指標(biāo)是滲透系數(shù)滲透系數(shù)， 滲透系數(shù)值愈大，表示上的透水能力愈強(qiáng)。 土層中所有各點(diǎn)在同一方向的透水能力相同時(shí)， 稱(chēng)為均質(zhì)土層均質(zhì)土層，否則稱(chēng)為非均質(zhì)土層非均質(zhì)土層。 土層中任一點(diǎn)處各個(gè)方向的透水能力相同時(shí)， 稱(chēng)為各向同性土層各向同性土層，否則稱(chēng)為各向異性土層各向異性土層。 在許多實(shí)際工程中都會(huì)遇到滲流問(wèn)題。 如水利工程中的土壩和閘基、建筑物基礎(chǔ)施工中開(kāi)挖的基坑等。閘基滲流 基坑滲流 圖2-1(a)是水利工程中常見(jiàn)的閘基，在上游水位壓力差的作用下，水

4、將從上游河底進(jìn)入閘基的地基，沿地基土中的孔隙滲向下游，再?gòu)南掠魏哟惨莩觥?圖2-1（b）為軟土地基深基坑施工時(shí)常用的防滲、護(hù)壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在開(kāi)挖基坑的過(guò)程中，通常是基坑外土層中的地下水位高于基坑內(nèi)水位而形成水頭差，地下水將通過(guò)坑外土層繞過(guò)板樁滲入坑內(nèi)。 在這些滲流問(wèn)題中， 通常都要求計(jì)算其滲流量并評(píng)判其滲透穩(wěn)定性計(jì)算其滲流量并評(píng)判其滲透穩(wěn)定性。 當(dāng)滲流的流速較大時(shí)， 水流拖曳土體的滲透力將增大。 滲透力的增大將導(dǎo)致土體發(fā)生滲透變形，并可能危 及建筑物或周?chē)O(shè)施的安全。 因此，在工程設(shè)計(jì)與施工中，應(yīng)正確分析可能出現(xiàn)的滲流情況，必要時(shí)采取合理的防滲技術(shù)措施防滲技術(shù)措施。 土壩，高土壩，高90m，長(zhǎng)長(zhǎng)

5、1000m，1975年建成，年建成，次年次年6月失事月失事滲透破壞：滲透破壞： 沖蝕沖蝕 水力劈裂水力劈裂美國(guó)美國(guó)tetonteton壩壩失事現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)狀原因原因溝后面板砂礫石壩溝后面板砂礫石壩位于青海省，位于青海省，高高7171米，長(zhǎng)米，長(zhǎng)265265米，米，建于建于19891989年。年。19931993年年8 8月月7 7日突然日突然發(fā)生潰壩，發(fā)生潰壩，是現(xiàn)代碾壓堆石壩是現(xiàn)代碾壓堆石壩垮壩的先例。垮壩的先例。潰壩原因：潰壩原因：面板止水失效，下游壩體排水不暢，面板止水失效，下游壩體排水不暢，造成壩坡失穩(wěn)造成壩坡失穩(wěn)廣州京廣廣場(chǎng)基坑塌方廣州京廣廣場(chǎng)基坑塌方珠海祖國(guó)廣場(chǎng)基坑失事珠海祖國(guó)廣場(chǎng)基坑失

6、事第二節(jié)第二節(jié) 滲透理論滲透理論 一、滲透模型滲透模型 實(shí)際土體中的滲流僅是流經(jīng)土粒間的孔隙，由于土體孔隙的形狀、大小及分布極為復(fù)雜，導(dǎo)致滲流水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡很不規(guī)則，如右圖所示。圖圖2-2 (a) 水在土孔隙中的運(yùn)動(dòng)水在土孔隙中的運(yùn)動(dòng) 考慮到實(shí)際工程中并不需要了解具體孔隙中的滲流情況，可以對(duì)滲流作出如下二方面的簡(jiǎn)化： 一是不考慮滲流路徑的迂回曲折，只分析它的主要流向不考慮滲流路徑的迂回曲折，只分析它的主要流向； 二是不考慮土體中顆粒的影響，認(rèn)為孔隙和土粒所占的空不考慮土體中顆粒的影響，認(rèn)為孔隙和土粒所占的空間之總和均為滲流所充滿(mǎn)間之總和均為滲流所充滿(mǎn)。 作了這種簡(jiǎn)化后的滲流其實(shí)只是一種假想的

7、土體滲流，稱(chēng)之為滲流模型滲流模型，如圖2-2(b)所示。圖圖2-2 (b)理想化的滲流模型理想化的滲流模型 為了使?jié)B流模型在滲流特性上與真實(shí)的滲流相一致，為了使?jié)B流模型在滲流特性上與真實(shí)的滲流相一致， 它還應(yīng)該符合以下要求：它還應(yīng)該符合以下要求： (1) 在同一過(guò)水?dāng)嗝妫瑵B流模型的流量等于真實(shí)滲流 的流量； (2) 在任意截面上，滲流模型的壓力與真實(shí)滲流的壓 力相等； (3) 在相同體積內(nèi)，滲流模型所受到的阻力與真實(shí)滲流 所受到的阻力相等。 建立滲流模型后，即可采用液體運(yùn)動(dòng)的有關(guān)概念和理論對(duì)土建立滲流模型后，即可采用液體運(yùn)動(dòng)的有關(guān)概念和理論對(duì)土 體滲流問(wèn)題進(jìn)行分析。體滲流問(wèn)題進(jìn)行分析。 真實(shí)滲

8、流與滲流模型中平均流速的關(guān)系：qa滲流模型：滲流模型：真實(shí)滲流：真實(shí)滲流：0qa0/ana nl.0，即v10-3cm/s)的土的土，應(yīng)用粒組范圍大致為細(xì)砂到中等卵石細(xì)砂到中等卵石。常水頭滲透試驗(yàn)裝置2、變水頭試驗(yàn)、變水頭試驗(yàn) 當(dāng)土樣的滲透性較差時(shí)，由于流量太小，加上水的蒸發(fā)，使量測(cè)非常困難，此時(shí)宜采用變水頭試驗(yàn)測(cè)定k值。 土試樣的截面面積為a；量管的過(guò)水?dāng)嗝娣e為a。水在壓力差作用下經(jīng)試樣滲流，玻璃量管中的水位慢慢下降，即讓水柱高度h隨時(shí)間t逐漸減小，然后讀取兩個(gè)時(shí)間t1和t2對(duì)應(yīng)的水頭高度h1和h2。 可推導(dǎo)出滲流系數(shù)為 2112ln hhttalak 變水頭試驗(yàn)適用于透水性較小(10-7c

9、m/sk10-3)的粘性土。 圖2-5 變水頭滲透試驗(yàn)裝置圖 變水頭滲透試驗(yàn)裝置 變水頭試驗(yàn)公式推導(dǎo)變水頭試驗(yàn)公式推導(dǎo)dhadq qdtdqadtlhkkiadtadtlhkdha積分可得thhdtlakahdh021tlakahh21ln21lnhhatlak 滲透系數(shù) （二）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定法（二）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定法（粗顆粒土或成層的土（粗顆粒土或成層的土 ） 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定法的試驗(yàn)條件比實(shí)驗(yàn)室測(cè)定法更符合實(shí)際土層的滲透情況，測(cè)得的滲透系數(shù)k值為整個(gè)滲流區(qū)較大范圍內(nèi)土體滲透系數(shù)的平均值，是比較可靠的測(cè)定方法，但試驗(yàn)規(guī)模較大，所需人力物力也較多。常用的是野外注水試驗(yàn)和野外抽水試驗(yàn)等野外注水試驗(yàn)和野外抽水試驗(yàn)等。

10、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定滲透系數(shù)的方法較多，常用的有野外注水試驗(yàn)和野外抽野外注水試驗(yàn)和野外抽水試驗(yàn)水試驗(yàn)等，這種方法一般是在現(xiàn)場(chǎng)鉆井孔或挖試坑，在往地基中注水或抽水時(shí)，量測(cè)地基中的水頭高度和滲流量，再根據(jù)相應(yīng)的理論公式求出滲透系數(shù)k值。 抽水試驗(yàn)開(kāi)始前，先在現(xiàn)場(chǎng)鉆一中心抽水井，根據(jù)井底土層情況可分為二種類(lèi)型：完整井和非完整井。完整井和非完整井。 野外抽水試驗(yàn)野外抽水試驗(yàn)一般是：在現(xiàn)場(chǎng)鉆井孔或挖試坑，在往地基中注水或抽水時(shí)，量測(cè)地基中的水頭高度和滲流量，再根據(jù)相應(yīng)的理論公式求出滲透系數(shù)k值。圖圖(a)(a)無(wú)壓完整井抽水試驗(yàn)無(wú)壓完整井抽水試驗(yàn) 圖圖(b)(b)無(wú)壓非完整井抽水試驗(yàn)無(wú)壓非完整井抽水試驗(yàn) 21212

11、120試驗(yàn)井觀(guān)察孔地面水位不透水層（a）不透水層（b）地面水位rh020021212120試驗(yàn)井觀(guān)察孔地面水位不透水層（a）不透水層（b）地面水位rh0200 完整井：完整井：井底鉆至不透水層； 非完整井：非完整井：井底末鉆至不透水層。 在抽水井四周設(shè)若干個(gè)觀(guān)測(cè)孔，以觀(guān)測(cè)周?chē)叵滤坏淖兓?。試?yàn)抽水后，地基中將形成降水漏斗。當(dāng)?shù)叵滤M(jìn)入抽水井的流量與抽水量相等且維持穩(wěn)定時(shí)，測(cè)讀此時(shí)的單位時(shí)間抽水量q，同時(shí)在兩個(gè)距離抽水井分別為r1和r2的觀(guān)測(cè)孔處測(cè)量出水位h1和h2 。對(duì)非完整井需量測(cè)抽水井中的水深h0，并確定降水影響半徑r 。圖圖2-7 2-7 抽水試驗(yàn)抽水試驗(yàn) （1）無(wú)壓完整井）無(wú)壓完整井

12、 上式求得的k值為r1r 或 wi 流土的臨界狀態(tài)對(duì)應(yīng)的水力梯度ic稱(chēng)為臨界水力梯度臨界水力梯度，它可用下式表示： ic = /w = (s-1)/(1+e) 式中，s地基土的土粒密度，g/cm3。流土（砂）流土（砂） 在粘性土中在粘性土中，滲透力的作用滲透力的作用往往使?jié)B流逸出處某一范圍內(nèi)的土體出現(xiàn)表面隆起變形表面隆起變形； 而在粉砂細(xì)砂及粉土等粘聚性差的土粉砂細(xì)砂及粉土等粘聚性差的土中，水力梯度達(dá)到一定值后，滲流逸出處出現(xiàn)表面隆起變形的同時(shí)，還可能出現(xiàn)滲流水流夾帶泥土向外涌出的砂沸現(xiàn)象，致使地基破壞，工程上將這種流土現(xiàn)象稱(chēng)為流砂流砂。 工程中將臨界水力梯度ic除以安全系數(shù)k作為容許水力梯度

13、容許水力梯度i，設(shè)計(jì)時(shí)滲流逸出處的水力梯度i應(yīng)滿(mǎn)足如下要求： ciiik對(duì)流土(砂)安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，k一般可取2.02.5。（二）管涌（二）管涌管涌管涌是在滲流過(guò)程中，土體中的化合物不斷溶解、細(xì)小顆粒在大顆粒間的孔隙中移動(dòng)，形成一條管狀通道，最后土粒在滲流逸出處沖出的一種現(xiàn)象。產(chǎn)生管涌的條件比較復(fù)雜，從單個(gè)土粒來(lái)看，如果只計(jì)土粒的重量，則當(dāng)土粒周界上水壓力合力的垂直分量大于土粒的重量時(shí)，土粒即可被向上沖出。實(shí)際上管涌可能在水平方向發(fā)生，土粒之間還有摩擦力等的作用，它們很難計(jì)算確定。因此，發(fā)生管涌的臨界水力梯度ic一般通過(guò)試驗(yàn)確定。 測(cè)定管涌臨界水力梯度ic的試驗(yàn)裝置如圖所示。 抬高儲(chǔ)水容器，

14、水頭差h增大，滲透速度隨之增大。 當(dāng)水頭差增大到一定程度后，可觀(guān)察到試樣中細(xì)小土粒的移動(dòng)現(xiàn)象，此時(shí)的水力梯度即為發(fā)生管涌的臨界水力梯度。 圖2-14(a) 管涌試驗(yàn)裝置圖 在試驗(yàn)中可測(cè)定出不同水力梯度i下對(duì)應(yīng)的滲透速度v，繪制出v-i關(guān)系曲線(xiàn)，如圖所示。 v-i關(guān)系曲線(xiàn)上可以發(fā)現(xiàn)，滲透速度隨水力梯度的變化率在發(fā)生管涌前后有明顯不同，在發(fā)生管涌前后分成兩條直線(xiàn). 這兩條直線(xiàn)的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水力梯度即為發(fā)生管涌的臨界臨界水力梯度水力梯度ic。 圖2-14(b) 管涌試驗(yàn)v-i關(guān)系曲線(xiàn) 工程中在對(duì)管涌安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，通?？扇1.52.0。 管涌的形成與土的不均勻系數(shù)cu 、土中細(xì)粒土含量等因素有關(guān)。因此工程中也可用它們來(lái)判別土的抗管涌安全性。 如右圖所示，不均勻系數(shù)cu越大，管涌現(xiàn)象愈容易發(fā)生 。 例題例題2-2 某工程開(kāi)挖深度為某工程開(kāi)挖深度為6.0 m的基坑時(shí)采用板樁圍護(hù)結(jié)的基坑時(shí)采用板樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑在排水后的穩(wěn)定滲流流網(wǎng)如圖所示。地基土的飽構(gòu)，基坑在排水后的穩(wěn)定滲流流網(wǎng)如圖所示。地基土的飽和重度和重度gsat=19.8 kn/m3 ，地下水位距